談起“雙碳”，你會(huì)想到什么？或許是大氣中的二氧化碳、氣候變化、綠色能源的應(yīng)用……
事實(shí)上，“雙碳”不僅與“天空”有關(guān)，也與“大地”密不可分——作為地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳含量最大的生態(tài)系統(tǒng)，土壤的碳儲(chǔ)量約為大氣的2—3倍、植被的3—4倍，對于調(diào)控氣候變化和碳中和的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士后高群就是一名與土壤打交道的科學(xué)家。她從土壤中的微生物入手，實(shí)現(xiàn)了碳排放的預(yù)測優(yōu)化，尋找出減污降碳的新技術(shù)。用高群的話來說，她的研究就是從“挖土”到“挖寶藏”的過程。
【資料圖】
揭示土壤碳排放的奧秘
“和人類一樣，土壤也會(huì)通過‘呼吸’排出二氧化碳，這就是土壤的碳排放過程。”高群介紹，保護(hù)土壤碳庫的大小和穩(wěn)定性，是緩解氣候變化的重要舉措。
《科學(xué)》雜志曾經(jīng)將土壤稱為“最后的科學(xué)前沿”，揭示了土壤生物的多樣性、復(fù)雜性和重要性。近年來，土壤學(xué)科發(fā)展和科學(xué)地位不斷提升。特別是在全球氣候變化挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻的當(dāng)下，土壤碳封存已被《聯(lián)合國氣候變化框架公約》列為實(shí)現(xiàn)長期碳中和的關(guān)鍵途徑之一。
“土壤中大部分的碳儲(chǔ)量集中在高緯度地區(qū)特別是寒冷的冰凍地區(qū)。比如青藏高原就是我國重要的‘碳庫’，也是生態(tài)脆弱敏感區(qū)。”高群說，調(diào)控土壤碳含量，助力“雙碳”實(shí)踐，這是一個(gè)聽上去簡單，但實(shí)際上極其復(fù)雜的科學(xué)問題。
利用青藏高原等地區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，高群所在的研究團(tuán)隊(duì)對全球土壤碳排放的時(shí)空變異規(guī)律進(jìn)行了探索。研究發(fā)現(xiàn)，過去30年間，全球的土壤碳排放在21世紀(jì)初期發(fā)生了短暫的“停頓”，這是因?yàn)榇碎g全球氣候溫度的升高進(jìn)入了停滯期。
與此同時(shí)，高群等科學(xué)家還通過研究，揭示了氣候變化影響下青藏高原碳匯功能和變化特征，該成果被列為第二次青藏科考的重要進(jìn)展之一。
打造微生物碳循環(huán)模型
土壤碳庫如此重要，它是如何形成并儲(chǔ)存在土壤中的？在傳統(tǒng)觀念中，人們認(rèn)為植物的“枯枝落葉”是土壤碳儲(chǔ)存的主要來源。很多土壤碳庫模型也將植物中的木質(zhì)素作為表征穩(wěn)定碳庫的重要參數(shù)。
然而，科學(xué)家們逐漸發(fā)現(xiàn)，土壤碳循環(huán)過程中有一批重要的“生力軍”——微生物。它們雖然個(gè)體微小，卻與人類和生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系密切。
“微生物是生態(tài)系統(tǒng)的分解者，它們通過分解有機(jī)物，把土壤中的有機(jī)碳變成無機(jī)的二氧化碳。”高群說。有趣的是，微生物還能通過合成代謝，將碳轉(zhuǎn)化成某種形式儲(chǔ)存于土壤中。
“這一被稱為‘微生物碳泵’的過程，是一個(gè)現(xiàn)實(shí)可行又無環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的固碳途徑。”高群說。
近年來，土壤微生物對碳循環(huán)和氣候變化的作用得到越來越多的關(guān)注。2019年，來自多個(gè)國家的33名科學(xué)家聯(lián)合撰文呼吁，將微生物科研融入主流氣候變化研究和氣候變化框架中，以應(yīng)對人為造成的氣候變化問題。
要想摸清微生物的奧秘并不容易。“微生物的碳循環(huán)過程非常微觀，我們看不見、摸不著。如何將微生物的功能特性納入到土壤碳庫模型中，這是一個(gè)國際難題。”高群說。
經(jīng)過數(shù)年的潛心研究，高群所在的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了基于微生物功能基因的新型碳庫模型，這一成果推動(dòng)了微生物組學(xué)與宏觀氣候變化生態(tài)學(xué)的融合，實(shí)現(xiàn)了對碳排放的預(yù)測優(yōu)化，得到了世界上該領(lǐng)域很多科學(xué)家的廣泛認(rèn)可。
為“雙碳”尋找“天才”菌株
我們常說的微生物，涵蓋了有益與有害的眾多微生物種類，包括細(xì)菌、病毒、真菌以及一些小型的原生生物、顯微藻類等在內(nèi)的一大類生物群體。高群介紹，在1克土壤中，微生物的數(shù)量多達(dá)108—1012個(gè)，而人類目前已知的微生物只占1%，其余99%的微生物，其功能仍是不可知和不可預(yù)測的。
既然微生物對固碳有重要作用，那么究竟是哪些微生物有這樣“神奇”的能力？高群的又一項(xiàng)研究，是把這樣的微生物找出來，讓它們在更多場景發(fā)揮作用。
“我們通過多年的野外定位實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并篩選出了一部分在碳降解、碳固定方面起到重要作用的微生物，將他們的功能基因納入到模型中。”高群說，科研團(tuán)隊(duì)挖掘出了一批具有雌激素降解功能的菌，通過將其與生物炭結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了土壤減污與降碳協(xié)同技術(shù)的初步研發(fā)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，生物炭平均可以使土壤的二氧化碳減排24%，而高效固碳酶在工業(yè)廢氣、汽車尾氣等固碳應(yīng)用中有很好的產(chǎn)業(yè)化前景。
“微生物是一筆巨大的隱形財(cái)富。”高群說，“我相信土壤中一定還存在著一些‘天才’菌株。如果能夠?qū)⑺鼈兊墓δ芎蛻?yīng)用發(fā)掘出來、解釋清楚、規(guī)模應(yīng)用，一定會(huì)對‘雙碳’目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到重要作用。”
在“沉默”中探索攻堅(jiān)
從大學(xué)開始，高群就與環(huán)境科學(xué)結(jié)下了緣分。“最初選擇環(huán)境專業(yè)，是覺得‘環(huán)境’這個(gè)詞看上去挺文藝，后來進(jìn)入到土壤微生物領(lǐng)域，是因?yàn)槲⑸锟瓷先ズ苡猩衩馗小！痹诃h(huán)境科學(xué)領(lǐng)域耕耘數(shù)年之后，高群對這一專業(yè)有了更多的認(rèn)知和理解。
“環(huán)境科技工作者的角色就像是給地球‘治病’的‘醫(yī)生’，通過治理水體、土壤、大氣、固體廢棄物污染，為地球的各個(gè)表面和圈層治療‘痼疾’。”高群說。
與土壤和微生物打交道，是一個(gè)磨煉心性、坐冷板凳的過程。高群介紹，在減污降碳技術(shù)開發(fā)過程中，科研團(tuán)隊(duì)為了追蹤雌激素在環(huán)境中的傳播足跡，需要沿著其可能的傳播鏈條，對各個(gè)環(huán)節(jié)的土壤進(jìn)行大量采樣。采集土壤后，還要完成凍干、預(yù)處理以及后續(xù)的研磨和固相萃取等工作，最終把需要鑒別的污染物提取分離出來，再測定其濃度。
“基礎(chǔ)研究需要很長時(shí)間的‘沉默成本’。”高群說，要坐好、坐穩(wěn)基礎(chǔ)研究的冷板凳，既要有興趣，也需要情懷。近年來，國家出臺(tái)一系列政策支持基礎(chǔ)研究，支持青年科技人才挑大梁、擔(dān)重任，這給像高群一樣的科學(xué)家創(chuàng)造了機(jī)遇。
“青年科學(xué)家要珍惜這個(gè)時(shí)代，肩負(fù)起自己的責(zé)任和使命。我會(huì)繼續(xù)沿著關(guān)鍵的科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，在微生物固碳、微生物介導(dǎo)的減污降碳等領(lǐng)域不斷探索、攻堅(jiān)克難。”高群說。（劉 峣）
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